seegongsik
机械振动

驻波 连续系统

让质量趋于无穷便成弦或梁,模态是整数倍的驻波 fₙ = n·f₁(泛音),音高由 f₁ = (1/2L)√(T/μ) 决定

上一讲里,质量有 N 个,模态就有 N 个。把那些质量无尽地增多,做成一根连续的弦,模态也变得没有尽头。每个模态都是两端固定着振动的光滑驻波,它的频率是基音的整数倍。弦之所以成为音乐,原因在这里。质量多到变成一条曲线的那一刻,振动就开始用波的语言说话。

把 N 增大。质量只有几个时,还是上一讲那种起伏不平的模态形状;数量越多,就越聚成一条光滑的曲线,也就是连续的弦。连续系统是质量没有尽头的多自由度系统。点与点之间的空隙消失以后,形状就按曲线来读。

最简单的模态是基模。整根弦把两端的节点固定住,作为一个波峰一起升降。半波长等于弦的长度,所以 λ₁ = 2L,频率是最低的 f₁。中间动得最大,两端不动。

再选更高的模态。第 n 个模态有 n 个波峰,峰与峰之间有 n−1 个节点。频率是 fₙ = n·f₁,也就是基音的整数倍。这架整数倍的梯子就是泛音,弦声听起来像音乐,原因在这里。节点越多,音就越高。

A5 的叠加扩展到没有尽头的模态上。在一点上拨弦,那个三角形就是驻波模态之和。加入的泛音越多,拐角就越尖,并聚向拨弦的形状。是怎样的配比,就是怎样的音色。泛音少,拐角就圆;泛音多,拨到的位置就清楚。

是什么决定音高?f₁ = (12L)√(Tμ),所以张力 T、长度 L、线密度 μ 来决定。把这三样动一动。拉得更紧(T↑)、变得更短(L↓,也就是按品)、变得更细(μ↓),音就升高。低音弦更粗,桥索和输电线会颤,用的是同一个式子。越紧、越短、越轻,音就越高。

实际应用连续系统,也就是弦、梁、板,是质量没有尽头的多自由度系统,所以模态也没有尽头。每个模态是两端节点之间的驻波,在弦上频率为 fₙ = n·f₁,是基音的整数倍,也就是泛音。任何振动都能分成这些模态之和,拨弦形状 = 泛音之和 = 音色。基音是 f₁ = (12L)√(Tμ),由张力、长度和线密度决定。实务总是一样。找出每个模态的形状和频率,让驱动躲开它们每一个。桥、机翼和房屋也都是模态没有尽头的连续体,驻波就是振动与波、与音乐相遇的地方。
← 机械振动
如果有帮助,请支持我们